鐵路巖溶隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法應(yīng)用與實(shí)踐

馬金彪

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

在我國(guó)高鐵建設(shè)中，隧道工程往往會(huì)受到地形地貌和地質(zhì)條件的制約，尤其是可能遇到誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜地質(zhì)條件，不但嚴(yán)重影響施工進(jìn)度增加成本，甚至?xí)斐芍卮笫鹿?。滬昆高鐵貴州段隧道較多，區(qū)域內(nèi)巖溶地貌發(fā)育、地質(zhì)條件異常復(fù)雜，因此在隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作尤為重要。

國(guó)外在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方面的研究開(kāi)展較早，如超前鉆探和聲波勘探技術(shù)[1-2]、TSP預(yù)報(bào)技術(shù)[3-4]、地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中效果顯著[5-9]。國(guó)內(nèi)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作起步較晚。主要以引進(jìn)和借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)[10-13]，但在大量工程實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，如地震波超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)方面[14-15]、TSP技術(shù)應(yīng)用方面[16-17]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于針對(duì)紅外探水法無(wú)法定量探測(cè)含水量及含水體規(guī)模大小的技術(shù)難題，開(kāi)展大量研究工作[18-21]。

因此結(jié)合滬昆高鐵貴州段朱砂堡隧道段地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，開(kāi)展了TSP預(yù)報(bào)系統(tǒng)、地質(zhì)雷達(dá)、紅外線探測(cè)等地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，但每種方法都不可避免存在一定的局限性，并且各有優(yōu)缺點(diǎn)。因此，通過(guò)隧道介質(zhì)物性特點(diǎn)分析和各物探超前預(yù)報(bào)方法適宜性對(duì)比評(píng)價(jià)，在地質(zhì)預(yù)報(bào)中“以地質(zhì)分析為核心，通過(guò)TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水等綜合物探與地質(zhì)分析相結(jié)合，洞內(nèi)外結(jié)合，長(zhǎng)短預(yù)報(bào)相結(jié)合”的綜合預(yù)報(bào)，建立超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合方法體系。為今后的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供借鑒與指導(dǎo)，具有一定的理論和實(shí)踐意義。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)各種方法及評(píng)價(jià)

常見(jiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)各種方法及評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)各種方法及評(píng)價(jià)

3 隧道綜合預(yù)報(bào)體系

圖1 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合預(yù)報(bào)工作流程

在綜合預(yù)報(bào)的原則基礎(chǔ)上，建立綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)工作流程，如圖1所示。首先對(duì)隧道區(qū)域勘察設(shè)計(jì)資料收集和研究，利用地面調(diào)查、地質(zhì)素描等方法，確定斷層和其他不良地質(zhì)體在前方大概位置，預(yù)測(cè)富水段。結(jié)合掌子面素描及各種物探方法的適宜性，優(yōu)化方案組合達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的目的。

4 綜合預(yù)報(bào)方法的選擇

根據(jù)上述隧道超前綜合預(yù)報(bào)原則和體系，結(jié)合實(shí)際情況，選擇一種或多種適宜性好的方法組合(圖2)。

圖2 預(yù)報(bào)方法組合

5 工程應(yīng)用

5.1 隧道工程地質(zhì)概況

朱砂堡隧道是滬昆高鐵長(zhǎng)昆段的重要組成部分(圖3)，隧址區(qū)位于湘黔省界至玉屏之間的三穗縣境內(nèi)，隧道長(zhǎng)374 m，最大埋深為55 m，隧道通過(guò)地段基巖局部裸露，洞身穿越寒武系下統(tǒng)清虛洞組薄層灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁(yè)巖。節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，圍巖條件較差。此外，由于洞身穿越巖體為可溶灰?guī)r，且節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富，導(dǎo)致其巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。

圖3 滬昆高鐵長(zhǎng)昆段線路示意

5.2 地質(zhì)雷達(dá)、掌子面素描等綜合應(yīng)用

運(yùn)用GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，對(duì)隧道進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)距離設(shè)定為15 m，探測(cè)預(yù)報(bào)的范圍D2K473+131～+116。因該段開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)溶隙及少量溶隙水發(fā)育，因此探明巖體破碎帶的位置、寬度及巖溶發(fā)育的位置、規(guī)模等十分重要。

5.2.1 掌子面地質(zhì)素描

開(kāi)挖揭示巖性為灰色薄層灰?guī)r，鈣質(zhì)交結(jié)，微晶結(jié)構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，弱風(fēng)化，巖層產(chǎn)狀近約為N8°W/20°S，層面及節(jié)理面多呈水銹色，掌子面潮濕，有輕微滴水，圖4為掌子面素描，圖5為掌子面現(xiàn)場(chǎng)。

圖4 D2K473+131處掌子面地質(zhì)素描

圖5 D2K473+131掌子面施工現(xiàn)場(chǎng)

5.2.2 雷達(dá)測(cè)線布置

根據(jù)掌子面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)于布置測(cè)線條件較適宜，本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)，同樣沿掌子面成“井”字形布置了4條測(cè)線，測(cè)線布置如圖6所示。

圖6 D2K473+131掌子面測(cè)線布置示意

5.2.3 雷達(dá)圖像分析及成果解釋

探測(cè)得到雷達(dá)圖像如圖7所示。根據(jù)4條測(cè)線的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，顯示出如下特征：反射、繞射波組多且雜亂；其延續(xù)長(zhǎng)度不一，能量強(qiáng)弱不等，頻率成分也有明顯差異；反射或繞射波組在橫向上存在不連續(xù)分布；反射或繞射波組縱向上出現(xiàn)在不同時(shí)域(或不同深度)范圍，部分位置具有延續(xù)性。依據(jù)上述特征，可以推斷在預(yù)報(bào)范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，且分布規(guī)律性較差。

圖7 雷達(dá)探測(cè)圖像

根據(jù)掌子面、洞身地質(zhì)編錄情況及地質(zhì)雷達(dá)分析結(jié)果，對(duì)掌子面前方15 m洞身及周邊工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件綜合分析如下。

(1)D2K473+131～D2K473+129段，預(yù)測(cè)該段巖性為灰?guī)r，弱風(fēng)化，節(jié)理較發(fā)育，巖體較完整，圍巖穩(wěn)定性較好，巖溶弱發(fā)育，可能出現(xiàn)滲水、滴水等現(xiàn)象；建議圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，并建議采用短進(jìn)尺掘進(jìn)，施工時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。

(2)D2K473+129～D2K473+125段，預(yù)測(cè)該段巖性為灰?guī)r，弱風(fēng)化，節(jié)理較發(fā)育，但巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差，且?guī)r溶發(fā)育。從雷達(dá)圖像可以推斷該段溶洞主要以泥質(zhì)充填物為主，可能出現(xiàn)滲水、滴水等現(xiàn)象，工程地質(zhì)條件較差，建議圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

(3)D2K473+125～D2K473+116段，預(yù)測(cè)該段巖性為灰?guī)r，弱風(fēng)化，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，巖溶局部較發(fā)育，亦可能出現(xiàn)滲水、滴水等現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定性較差，工程地質(zhì)條件差。建議圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

5.2.4 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)精度分析

朱砂堡隧道實(shí)際預(yù)報(bào)工作中，隧道進(jìn)口、出口共計(jì)完成地質(zhì)雷達(dá)(GPR)預(yù)報(bào)409延米/16次，從隧道開(kāi)挖施工結(jié)果可見(jiàn)，此次地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率僅為80%。實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程顯示，預(yù)報(bào)存在出入的地方主要體現(xiàn)在巖溶水賦存及分布情況方面，比如D2K473+131～D2K473+129段開(kāi)挖時(shí)，出現(xiàn)較大水量的溶隙水貯存，預(yù)報(bào)時(shí)只是提示可能存在小股巖溶水存在，并沒(méi)有準(zhǔn)確預(yù)報(bào)巖溶水賦存的性質(zhì)。但由于該段開(kāi)挖過(guò)程增加了紅外探水預(yù)報(bào)，提前做好了突水、突泥的防護(hù)工作，保證隧道施工正常進(jìn)行。

5.3 TSP、掌子面素描等綜合應(yīng)用

采用TSP-203系統(tǒng)，對(duì)隧道進(jìn)行303 m的長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)，設(shè)定預(yù)報(bào)距離為80 m，探測(cè)預(yù)報(bào)的范圍為D2K473+172～D2K473+092段，主要探測(cè)不良地質(zhì)體的分布情況及預(yù)報(bào)富水帶的具體位置。

5.3.1 掌子面地質(zhì)素描

掌子面出露巖性為灰?guī)r，灰色，薄層狀，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理發(fā)育且?guī)r體較破碎，呈弱風(fēng)化狀態(tài)。掌子面拱頂發(fā)育一直徑1.5～4.0 m的溶洞，深2～5 m，呈不規(guī)則巷道狀，大致呈水平狀延伸，為棕紅色軟塑狀黏土及塊石等充填，掌子面素描如圖8所示，洞身發(fā)育溶洞如圖9所示。

圖8 掌子面地質(zhì)素描

圖9 洞身發(fā)育溶洞照片

5.3.2 TSP數(shù)據(jù)分析成果及超前預(yù)測(cè)

采用TSPWin軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，共使用了其中19個(gè)炮孔的接收數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件分析得到如圖10所示的P波深度偏移剖面提取的反射層。結(jié)合地質(zhì)資料、地震波反射資料以及數(shù)據(jù)處理資料，反映地震反射波顯示出如下特征。

圖10 P波深度偏移剖面及提取的反射層

預(yù)報(bào)范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，分布規(guī)律性較差，且局部圍巖破碎，穩(wěn)定性較差。根據(jù)掌子面、洞身地質(zhì)編錄情況及掌子面前方物性及異常二維示意圖(圖11)等TSP系統(tǒng)預(yù)報(bào)分析結(jié)果，并結(jié)合測(cè)區(qū)工程及水文地質(zhì)條件，對(duì)掌子面前方80 m洞身及周邊工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析預(yù)測(cè)，結(jié)論如下。

圖11 掌子面前方物性及異常二維示意

(1)D2K473+172～+157段：該段巖體較破碎，弱風(fēng)化，巖溶較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差，巖溶水、溶洞發(fā)育的可能性較大；開(kāi)挖掘進(jìn)時(shí)存在突水、突泥的可能，左側(cè)拱頂及邊墻可能會(huì)出現(xiàn)掉塊等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

(2)D2K473+157～+142段：該段巖體較破碎，弱風(fēng)化，巖溶漸趨發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差，巖溶水、溶洞發(fā)育的可能性較大，很可能存在隱伏含水構(gòu)造，巖溶水發(fā)育及滲水量規(guī)模不確定，開(kāi)挖時(shí)注意觀測(cè)滲水量的變化，做好出現(xiàn)突水、突泥現(xiàn)象準(zhǔn)備的措施。

(3)D2K473+142～+129段：該段巖體較完整，巖溶弱發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性好，巖體中有小型溶蝕溝槽、溶孔發(fā)育的可能，存在出現(xiàn)巖溶水局部發(fā)育的可能。

(4)D2K473+129～+092段：該段巖體破碎，弱風(fēng)化，巖溶較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差，巖溶水、溶洞發(fā)育的可能性較大，存在突水、突泥的可能。

在本段施工中建議采用短進(jìn)尺掘進(jìn)，同時(shí)加深炮眼和加強(qiáng)水平鉆探，進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)報(bào)結(jié)果，并做好巖溶水(泥)突然涌出、空洞出現(xiàn)造成操作面臨空等的應(yīng)對(duì)措施，確保安全。

5.3.3 TSP預(yù)報(bào)精度分析

本次朱砂堡隧道共計(jì)完成 TSP超前預(yù)報(bào)4次，總長(zhǎng)335 m，從TSP系統(tǒng)記錄的反射界面來(lái)看，約50%的里程段出現(xiàn)較為集中的反射界面，說(shuō)明隧道前方存在一定范圍的巖體破碎帶及巖溶發(fā)育帶等不良地質(zhì)體。從隨后開(kāi)展的隧道開(kāi)挖施工結(jié)果可以看到，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率80%。D2K473+172～D2K473+092段的超前預(yù)報(bào)效果良好，其中，D2K473+172～+157段，開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)了圍巖掉塊現(xiàn)象，并根據(jù)預(yù)報(bào)采取了相應(yīng)的措施；D2K473+157～+142段巖溶發(fā)育最為強(qiáng)烈，溶隙水水量較大，與預(yù)報(bào)時(shí)推斷結(jié)果一致；而D2K473+142～+129段和D2K473+129～+092段的情況基本相似，可見(jiàn)小型溶洞及溶隙發(fā)育，巖溶水賦存較少，出現(xiàn)輕微滲水現(xiàn)象；開(kāi)挖時(shí)根據(jù)超前預(yù)報(bào)建議，設(shè)計(jì)了較充分的支護(hù)及防突水措施，并沒(méi)有影響隧道的施工工期。

5.4 紅外探測(cè)法、掌子面素描等綜合應(yīng)用

采用HW-304隧道用紅外探測(cè)儀進(jìn)行探水超前預(yù)報(bào)，探測(cè)隧道掌子面前方30 m范圍內(nèi)有無(wú)構(gòu)造裂隙、溶洞等隱伏含水構(gòu)造。探測(cè)預(yù)報(bào)的范圍為D2K473+123～D2K473+093段。

5.4.1 掌子面地質(zhì)素描

掌子面巖體較完整，呈弱風(fēng)化，層理及節(jié)理面多呈水銹色，主要發(fā)育兩組節(jié)理，節(jié)理面光滑且密閉。巖體較破碎，弱風(fēng)化為主，層理面多呈水銹色，掌子面潮濕，有輕微滴水；巖溶發(fā)育，開(kāi)挖過(guò)程中成碎塊狀，掌子面地質(zhì)素描見(jiàn)圖12。

圖12 D2K473+123處掌子面地質(zhì)素描

5.4.2 紅外探測(cè)成果與預(yù)報(bào)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)紅外探測(cè)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確繪制了隧道掌子面后方軸線方向55 m洞身周?chē)t外探測(cè)曲線，以及掌子面處紅外探測(cè)曲線，如圖13、圖14所示。

圖13 掌子面后方沿軸線55 m紅外探測(cè)曲線

圖14 掌子面紅外探測(cè)曲線

由圖13可知，洞身紅外線探測(cè)值波動(dòng)在正常范圍內(nèi)、變化范圍較小，末端受現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境影響探測(cè)值有異常變化；而圖14所顯示的掌子面探測(cè)值變化范圍也不大，變化范圍在安全范圍內(nèi)。因此，開(kāi)挖面后方洞身周?chē)鷽](méi)有危害隧洞安全穩(wěn)定的大型含水構(gòu)造或水體存在，而開(kāi)挖面前方D2K473+123～D2K473+093段30 m范圍內(nèi)地下水受巖石裂隙控制，整體滲水量變化不大，洞身仍以局部滲水、滴水為主，掌子面滲水量與現(xiàn)階段類似，局部滲水量可能有所變化，前方存在較大儲(chǔ)水構(gòu)造的可能性較小，但不排除局部有少量巖溶水富存的可能性。建議在施工期間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)滲水情況，并準(zhǔn)備好相應(yīng)的防水、排水設(shè)施。

5.4.3 紅外探水法預(yù)報(bào)精度分析

紅外探水工作共計(jì)完成預(yù)報(bào)長(zhǎng)度360 m，共計(jì)12次，主要反映隧道掌子面前方及側(cè)壁周邊的地下水含水量賦存情況。由隨后的隧道開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中可見(jiàn)，此次超前紅外探水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率約為83%。D2K473+123～D2K473+113段開(kāi)挖時(shí)，可見(jiàn)較大水量的溶隙水流出，但并沒(méi)有表現(xiàn)出較強(qiáng)的承壓性質(zhì)，危害性質(zhì)不大，只需采取簡(jiǎn)單排水措施，便可順利施工。D2K473+093附近處遇到了巖溶水富集現(xiàn)象，為巖溶裂隙水且水量較大，由于提前做好了防水、排水工作，并沒(méi)對(duì)隧道施工造成較大影響。

5.5 超前水平鉆探

根據(jù)各物探方法與掌子面地質(zhì)素描綜合預(yù)報(bào)資料，需要進(jìn)一步探明掌子面前方工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，在朱砂堡隧道D2K473+152進(jìn)行了超前水平鉆探。本次實(shí)施鉆孔4個(gè)，總進(jìn)尺150 m(表2、圖15)。

表2 超前水平鉆探參數(shù)

圖15 超前水平鉆布置

通過(guò)此次超前水平鉆探，初步探明了朱砂堡隧道掌子面前方D2K473+152～092段地質(zhì)情況，初步得出以下結(jié)論：D2K473+152～122段巖性為灰?guī)r，弱風(fēng)化，節(jié)理較發(fā)育，巖體破碎，局部節(jié)理有泥質(zhì)充填。D2K473+122～D2K473+092段巖性為灰?guī)r，弱風(fēng)化，節(jié)理較發(fā)育，巖體較完整，局部節(jié)理有泥質(zhì)充填。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)總結(jié)隧道中常用的物探超前預(yù)報(bào)方法，如地質(zhì)雷達(dá)法、TSP、紅外探水等分別評(píng)價(jià)其對(duì)斷層、破碎巖體、富水情況、溶洞等不良地質(zhì)情況的反應(yīng)特征和適宜性，為超前預(yù)報(bào)選擇適宜的物探方法提供依據(jù)。

(2)通過(guò)以上研究表明，地質(zhì)雷達(dá)法適用于存在斷層、破碎帶、溶洞及特殊地層分布的地區(qū)，而對(duì)掌子面前方地下水分布及發(fā)育情況的探測(cè)不夠精確，需要輔助紅外探水或者超前鉆探技術(shù)聯(lián)合預(yù)報(bào)；TSP系統(tǒng)預(yù)報(bào)適用于對(duì)隧道斷層、軟弱巖體、破碎帶、巖溶洞穴溶隙的預(yù)報(bào)；超前紅外探水法適用于對(duì)含水構(gòu)造發(fā)育位置、分布及含水量大小的探測(cè)，準(zhǔn)確率較高，但不能準(zhǔn)確測(cè)定含水量的大小。

(3)朱砂堡隧道的超前預(yù)報(bào)情況分析表明，以地質(zhì)分析為核心，綜合物探與地質(zhì)分析結(jié)合、洞內(nèi)外結(jié)合、長(zhǎng)短預(yù)測(cè)結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)為原則，以及完善的預(yù)報(bào)工作方法體系，可使朱砂堡隧道預(yù)報(bào)的成功率基本達(dá)到80%，開(kāi)挖過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生一起圍巖坍塌或突水突泥事件，獲得了良好的預(yù)報(bào)效果，確保了施工安全，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。